國內特細砂混凝土研究進展與前景分析

李佐宇，李華強，周淵

（河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210098）

1 引言

隨著我國經濟快速發展和人民生活水平的提高，我國土木工程建設技術也迎來了快速發展，為此需要大量的建筑材料供給來滿足建設的需求。而混凝土作為土木工程建設過程中最基本也是最重要的材料，需求量急劇增加。砂子作為混凝土必不可少的組成成分，混凝土用砂的矛盾日趨激烈，但是儲量有限的天然河砂、湖砂幾乎是一種不可再生資源，若使用資源豐富的海砂，則會導致建筑工程中出現氯離子腐蝕鋼筋的現象。

鑒于上述現狀，尋找能夠滿足當前土木工程建設過程中混凝土用砂的砂源顯得尤為重要。近年來，工程建設者們把目光投向特細砂資源的使用，縱觀我國特細砂混凝土的使用歷史可以追溯到70年前，1921年我國河南洛河天津橋建設項目和1935年重慶大溪溝火力發電站等建設工程，就已經采用了特細砂混凝土。實踐證明，特細砂與混凝土的科學合理配制將帶來良好的經濟效益和環境效益。本文通過分析特細砂混凝土存在的缺陷，基于對現階段國內學者對特細砂混凝土研究成果的綜述，提出了特細砂混凝土研究趨勢和未來前景，為拓展特細砂混凝土在土木工程建設工程中的運用提供理論參考。

2 特細砂混凝土的缺陷

2.1 和易性較差

特細砂相對中砂和粗砂來說，粒徑更小，細度模數在0.7至1.5之間，這就導致了特細砂的級配較差，如果把中砂和粗砂用特細砂取代，特細砂與混凝土進行混合，出現混凝土分層離析現象，這種現象可以體現在以下兩種情況，一種是上浮集中到混凝土表面，一種是下沉聚集到混凝土底部，這時，就會影響混凝土的和易性。依據特細砂的特性，特細砂混凝土和易性較差主要有以下表現：拌合物粘聚力較大導致澆筑難度增大，拌合物過于松散從而出現不易粘結，在混凝土澆筑過程中會出現分層離析現象，這是由于水泥砂漿無法填滿骨料，使得兩者之間會出現孔隙，從而難以實現振搗密實。

2.2 強度不滿足要求

正如上一節所提到的特細砂與中砂和粗砂相比，粒徑更小，這時特細砂表面吸附的水分也隨之增多。在特細砂混凝土吸附的拌合之后，由于水的蒸發，就會導致混凝土內部產生較多孔隙，呈現勻質性較差，降低了特細砂混凝土強度，從而所得到的強度達不到工程施工要求，影響了工程質量。工程實踐還發現，同批次的混凝土中還存在個別試塊強度值過高或過低，呈現特細砂混凝土強度不夠穩定，從而導致難以保證工程質量。

2.3 水泥用量大

特細砂呈現屬性為粒徑較小、級配較差、拌合物粘聚性較大，這些屬性導致其流動性下降。當前工程實踐中，對混凝土流動性有較高的要求，當水膠比一定時，這就需要通過增加水泥漿的用量來提高特細砂混凝土的流動性能。然而若增加水泥漿占比，這就會加劇特細砂混凝土的收縮和徐變現象，從而容易導致預應力的損失，同時還增加了配制特細砂混凝土的經濟成本。

2.4 易開裂

通過對在許多工程中特細砂混凝土的開裂問題分析發現，其重要的一個原因是特細砂自身的材質特性。特細砂混凝土配制出現孔隙率較大，為此需要更多的水泥漿來填補空隙，這就助推了徐變和收縮的形成。當特細砂混凝土受到外力、或者外界溫度變化較大、或者環境濕度出現浮動，特細砂混凝土這時可能會發生可逆變形或者不可逆變形，影響了特細砂混凝土質量。再者，當可逆變形或者不可逆變形遇到外界束縛時，其內部就會出現拉應力，如果拉應力大于其抗拉強度時，這就會使得特細砂混凝土開裂，最終影響了工程的抗裂能力。

3 特細砂混凝土的研究進展

3.1 有關特細砂泵送混凝土的研究

閆靜安為了解決特細砂配制混凝土過程中導致的泵送難和易開裂等問題（如粘性過大、流動性低、混凝土收縮增大），通過利用超量摻入粉煤灰來替代部分細骨料，并摻入低量礦粉，提出了“一超一低”法來實現單獨使用特細砂配制泵送混凝土；張向斌、婁宗科等通過分析水膠比、砂率、粉煤灰摻量等因素對特細砂泵送混凝土強度及其可泵性的影響機理，采用正交試驗法研究發現，使用特細砂配制泵送混凝土的水膠比最優區間為0.35～0.45，砂率的最優區間為 24%～30%，粉煤灰摻量的占比最優為10%～30%，試驗還發現摻入適量減水劑以及使用連續級配的粗骨料也有助于改善混凝土的性能。

3.2 有關摻合料在特細砂混凝土中的應用研究

經過多年的發展，土木工程建設過程中配制超細砂混凝土的方法也逐漸增多，比如摻加粉煤灰和礦粉。王赫為了延長特細砂混凝土的凝結時間，在超細砂混凝土中摻加礦粉進行試驗研究，試驗結果表明摻加礦粉后超細砂混凝土的粘聚性有了明顯提高，同時還可以對早期的溫度進行有效控制，并實現了改善特細砂混凝土耐久性的效果。陳思甜等在原川黔公路的改造工程中，為了增加混凝土強度和耐磨性，進行添加試驗發現加入適量的硅粉可以較好地達到預期目標，并且還認為添加了硅粉的特細砂混凝土可以減薄高等級路面厚度。

3.3 有關特細砂混凝土“三低一超”設計原則的研究

謝祥明等通過混凝土的物理力學性能、變形性能和經濟性能試驗研究，提出了一種“三低一超”設計方法來優化特細砂混凝土配合比，此方法的運用較好地改善了上述所說的三種性能；周林飛等基于謝祥明提出的“三低一超”的配制方法，分析發現影響特細砂混凝土強度的主要因素分別是出水灰比和砂率。經過反復試驗得出，當水灰比為0.45、砂率為0.33時，特細砂混凝土強度最高，這時其抗壓強度略高于中砂混凝土的抗壓強度。當水灰比為某一定值時，若滿足不同強度等級的要求，這時就可以通過調整砂率來改變混凝土拌合物的抗壓強度以達到相應要求，同時發現其抗壓強度都能完全滿足建設工程的強度要求；姚汝方等提出了“三低兩摻”的概念，即基于“三低一超”方法加入了適量的高效減水劑，這種方法有效地解決了特細砂混凝土收縮大、易開裂的問題，并且較好地提高了特細砂混凝土的耐久性與安全性。尤其要指出的是，在冬期施工過程中利用“三低兩摻”方法還能滿足抗凍性和抗滲性等要求。

3.4 有關特細砂混凝土分層離析現象的研究

吳芳等為了探索混凝土出現分層的內在原因，利用流體力學理論，通過分析混凝土骨料形狀及其表面狀態，深入研究粒子形態與其運動情況的相關關系；胡文忠等分析了混凝土材料組成、材料之間的配合比和混凝土外加劑等，并探索了混凝土摻合料分層現象，試驗研究發現對特細砂混凝土原材料嚴格篩選、合理優化材料配合比以及選用適當的施工方法就可以較好地防止和控制特細砂混凝土的分層現象。

3.5 有關特細砂混凝土在海外工程中的應用

位于非洲撒哈拉沙漠西部的毛里塔尼亞，該國土地被沙漠覆蓋超過了國土面積的一半，可見擁有十分豐富的沙漠特細砂資源。為了有效利用這些沙漠特細砂資源，毛里塔尼亞啟動了努瓦迪布新礦石碼頭工程，該工程運用了一種雙摻技術，即“摻用機制砂、摻用減水劑”技術，利用這種雙摻技術配制的沙漠砂C50高強度預應力混凝土，具有強度高、和易性好、較強的抗裂性及抗硫酸鹽腐蝕性能；位于非洲東部的肯尼亞，是“一帶一路”倡議在非洲東部地區布局的首站，由于該國特細砂資源缺乏，要在東非最大港口城市蒙巴薩與首都內羅畢之間建設鐵路則困難重重，研究者們通過特細砂與機制砂復合和大吸水率骨料處理工程試驗成功解決了此問題，研究者配制出的C20-C50強度等級特細砂混凝土，把特細砂成功地運用在蒙內鐵路工程中，并且施工成本得到了有效降低，同時還保證了施工進度。

3.6 水工特細砂混凝土

李光偉通過選取表征特細砂混凝土的性能的諸多指標來進行試驗研究，這些性能參數包括強度、干縮變形、彈性模量、凍融破壞、抗拉伸極限、抗滲、自生體積變形及抗碳化能力等，運用“三低一超”法對水工特細砂混凝土進行配制，研究發現在某些情形下特細砂混凝土表現出收縮變形小、絕熱溫升低、抗滲抗沖磨能力強等特征，但在混凝土形成的早期則呈現出強度低、彈性強度較高、極限拉伸值低、抗碳化能力低等缺陷；曾凡江為了提高特細砂混凝土強度，結合使用高性能泵送劑能夠實現在拌合期間的用水量減少的經驗，并加入超細礦渣粉，所制作成的特細砂水工混凝土，能夠降低水膠比，還能夠較好地提高混凝土微膨效果和強度，這種加入復合材料的方法一方面可以有效補償收縮，另一方面還能起到保護環境，實現混凝土材料持久穩定。

4 特細砂混凝土的研究前景

4.1 對配制高性能特細砂混凝土的研究

低流動性是目前市面上配制特細砂混凝土所遵守的特點，但是在混凝土輸送過程中卻要求特細砂混凝土具有高工作性，這兩者是相矛盾的。當尋求使用特細砂與混凝土進行配比來達到高性能配制時，其技術難點在于特細砂的細度模數相對中砂和粗砂來說偏小，這樣會影響配制后的特細砂混凝土的高工作性，同時還會導致其他欠缺。改善特細砂的級配缺陷，如何配制高性能的特細砂混凝土還需要進一步地展開研究。

4.2 針對沙漠特細砂進行更多的研究

通過對當前公開的文獻成果來說，大多數學者在研究特細砂混凝土的性能時，關注較多的是河流特細砂，而對于沙漠特細砂的研究成果相對較少，沒能像特細河砂研究那么深入，針對沙漠特細砂與特細河砂在工程性質以及工程應用的差異研究得還不夠完善，在沙漠特細砂的物理化學特性、特細砂混凝土強度、耐久性、養護方法等方面還需要進一步展開研究，以實現擴大沙漠砂的使用范圍，力爭研制出與普通混凝土性能相近配制的特細砂混凝土提供工程實踐經驗。

4.3 針對特細砂混凝土的界面性能研究

通常來說把細骨料與水泥漿體之間的界面體積稱為二級界面體積。相對于粗砂或中砂普通混凝土的二級界面體積來說，特細砂混凝土的二級界面體積要大很多，這是特細砂細度模數較小，比表面積較大等特性所導致的。由于我國針對粗砂或中砂普通混凝土的研究較為深入，然而對于特細砂混凝土的研究還不足，尤其缺乏對特細砂混凝土二級界面的重要性認識，至今還沒有形成較為完整的學科體系。為此，急需探索特細砂混凝土二級界面的微觀結構機理，來解析特細砂混凝土宏觀特性，最終實現有效地改善特細砂混凝土性能。

5 結語

本文對目前特細砂混凝土的研究現狀進行了深入分析，發現在特細砂混凝土配制過程中存在四種缺陷，并基于現狀分析和缺陷，提出了特細砂混凝土研究熱點，試圖為深入開展特細砂混凝土的研究以及工程應用提供理論支撐。